董春亮，趙光明，趙華安(安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

多煤層開采合理煤柱尺寸留設(shè)研究

董春亮，趙光明，趙華安
(安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

針對(duì)潘三礦多煤層回采受F24大型逆斷層影響，利用FLAC3D研究11煤和13煤留設(shè)不同尺寸斷層煤柱情況下，采場應(yīng)力和塑性區(qū)演化規(guī)律，從而提出合理的斷層煤柱留設(shè)尺寸。研究發(fā)現(xiàn)，隨著11煤回采留設(shè)煤柱的減小，應(yīng)力集中逐漸向斷層上盤轉(zhuǎn)移，而13煤回采受11煤回采的影響，煤柱的減小使采空區(qū)左側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域逐漸增大；同時(shí)，斷層附近塑性區(qū)范圍逐漸增大并最終與采場塑性區(qū)導(dǎo)通，為防止突水事故，確定煤柱留設(shè)尺寸分別為40m、60m；現(xiàn)場工程驗(yàn)證該留設(shè)尺寸是合理的。

斷層煤柱；應(yīng)力場；塑性區(qū)；數(shù)值模擬

礦井生產(chǎn)過程中，斷層是影響煤炭開采的重要地質(zhì)因素，在采動(dòng)影響下易發(fā)生斷層突水。對(duì)于斷層突水，許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-5]。吳基文等[6]研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)煤柱減小到一定數(shù)值后將造成斷層上、下盤巖體發(fā)生相對(duì)位移，引發(fā)斷層導(dǎo)水。彭蘇平等[7]研究發(fā)現(xiàn)斷層突水容易在下列情況中出現(xiàn)：一是存在切割底板隔水巖層的導(dǎo)水?dāng)鄬樱欢菙鄬訋Т嬖谒畨河绊懙臄U(kuò)展效應(yīng)，水壓破壞向上擴(kuò)展而與采動(dòng)破壞相溝通，引發(fā)底板突水。對(duì)于斷層煤柱的留設(shè)，以往的研究都是工作面向斷層方向推進(jìn)，對(duì)于沿著斷層方向推進(jìn)的工作面，研究甚少。

在前人研究基礎(chǔ)上，利用FLAC3D軟件研究在留設(shè)不同尺寸的斷層煤柱的情況下，采場圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)演化規(guī)律。為臨近斷層工作面布置合理留設(shè)斷層煤柱提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

圖1所示為F24斷層和煤層賦存情況，開采煤層位于斷層下盤。由于13煤瓦斯含量比較高，先開采11煤作為保護(hù)層開采，然后開采13煤。工作面走向長壁布置，位于斷層下盤，沿煤層走向推進(jìn)，即沿?cái)鄬幼呦蛲七M(jìn)，全部垮落法處理采空區(qū)。11煤工作面長200m，采高2m；13煤工作面長200m，采高4m。煤層傾角2～10°，平均傾角5°，為近水平煤層。F24斷層傾角40～60°，落差40～60m。對(duì)煤層回采產(chǎn)生影響的主要含水層是第四系松散砂層孔隙含水層，該含水層直接覆蓋煤系地層之上，水量豐富，并且和F24大型逆斷層溝通。由于工作面臨近該斷層開采，易發(fā)生斷層突水事故。

2 模型建立

根據(jù)工程背景，建立如圖2數(shù)值模型，模型長600m，寬400m，高315m。各巖層按照礦井鉆孔柱狀圖確定，力學(xué)參數(shù)按照礦井實(shí)際資料確定。巖層屬性參數(shù)見表1，斷層的模擬通過在上下盤間添加接觸面實(shí)現(xiàn)，主要參數(shù)為法向剛度0.2GN/m，剪切剛度0.5GN/m，摩擦角20°，內(nèi)聚力0.5MPa。模型中x方向和z方向?yàn)樗椒较?，y方向?yàn)榇怪狈较颉９ぷ髅嫜貁方向推進(jìn)。模型共157680個(gè)網(wǎng)格，169002個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 工程背景圖

圖2 數(shù)值模型

表1 巖層屬性參數(shù)

邊界條件：模型四周為滾動(dòng)支撐，即限定水平位移；底面固支，限定x，y，z三個(gè)方向位移。頂面為自由面，施加10MPa垂直壓力模擬上覆巖層的自重載荷。

計(jì)算：先采用elastic本構(gòu)模型計(jì)算平衡后，將模型的速度和位移清零，得到初始應(yīng)力場，然后采用mohr-coulomb本構(gòu)進(jìn)行開挖模擬。先開挖11煤，11煤回采完畢后再開挖13煤。為消除邊界影響，開挖從z=75開始。工作面長度保持不變，分別模擬留設(shè)不同煤柱情況下應(yīng)力和塑性區(qū)演化規(guī)律。

3 11煤回采煤柱留設(shè)

圖3為11煤回采留設(shè)不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力云圖。從圖3中可以看出，煤層回采后采空區(qū)應(yīng)力得到釋放，形成低應(yīng)力區(qū)，上覆巖層重量轉(zhuǎn)移到未開采的煤體上，在煤柱形成應(yīng)力集中。隨著煤柱尺寸的減小，工作面逐漸向斷層靠近，靠近斷層一側(cè)煤柱的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸減小。同時(shí)，斷層上盤垂直應(yīng)力逐漸增大。也就是說，減小煤柱尺寸的過程中，應(yīng)力集中逐漸向斷層上盤轉(zhuǎn)移。

對(duì)于布置在斷層下盤的工作面，由斷層引發(fā)的突水主要來自于頂板。當(dāng)開采引起的頂板破壞帶與斷層導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)引發(fā)突水事故。留設(shè)合理斷層煤柱問題就是尋找一個(gè)臨界煤柱尺寸，該煤柱是頂板破壞帶與斷層帶導(dǎo)通的臨界值。圖4為11煤回采留設(shè)不同煤柱的情況下圍巖塑性區(qū)圖。

從圖4中可以看出，當(dāng)留設(shè)40m及以上煤柱時(shí)，塑性區(qū)沒有與斷層導(dǎo)通，并且留設(shè)40m煤柱時(shí)，斷層附近開始出現(xiàn)新生塑性區(qū)，有和采場圍巖塑性區(qū)導(dǎo)通的趨勢；當(dāng)留設(shè)30m煤柱時(shí)，圍巖塑性區(qū)范圍增大，并與斷層導(dǎo)通。說明留設(shè)30m煤柱時(shí)，頂板破壞帶與斷層導(dǎo)通，導(dǎo)水通道形成。因此，在此工況下，為防止發(fā)生斷層突水事故，11煤回采煤柱尺寸應(yīng)為40m。

4 13煤回采煤柱留設(shè)

以上分析確定11煤開采留設(shè)40m斷層煤柱，根據(jù)先開采11煤保護(hù)層后開采13煤的順序，13煤斷層煤柱的留設(shè)的模擬應(yīng)在11煤留設(shè)40m煤柱回采完畢后，分別對(duì)13煤留設(shè)不同煤柱回采進(jìn)行模擬分析。圖5所示為13煤回采留設(shè)不同煤柱情況下垂直應(yīng)力云圖。

從圖5中可以看出，在下方11煤已經(jīng)回采完畢的情況下，13煤回采受11煤回采產(chǎn)生的卸壓區(qū)和斷層的雙重影響。采空區(qū)右側(cè)應(yīng)力集中程度明顯高于左側(cè)。隨著煤柱尺寸減小，工作面逐漸向斷層靠近，采空區(qū)右側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域逐漸縮小，采空區(qū)左側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域逐漸增大。

圖6所示為13煤回采留設(shè)不同尺寸煤柱情況下，圍巖塑性區(qū)圖。從圖6中可以看出，隨著煤柱尺寸減小，工作面逐漸向斷層靠近，斷層附近新生成塑性區(qū)，該塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大最終和采場圍巖塑性區(qū)導(dǎo)通。如圖6(b)所示，當(dāng)留設(shè)70m煤柱時(shí)，斷層附近開始出現(xiàn)塑性區(qū)，如圖6(c)所示；當(dāng)留設(shè)60m煤柱時(shí)，斷層附近塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，有和采場塑性區(qū)導(dǎo)通趨勢；如圖6(d)所示，當(dāng)留設(shè)50m煤柱時(shí)，斷層附近塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，最終和采場塑性區(qū)導(dǎo)通，導(dǎo)水通道形成。

由以上分析結(jié)果確定兩煤層開采斷層防水煤柱尺寸是：11煤留設(shè)40m煤柱，13煤留設(shè)60m煤柱。

5 工程驗(yàn)證

在11煤工作面1642(1) 巷內(nèi)分別布置表面位移觀測站和深部位移觀測站，如圖7、圖8所示。在工作面煤壁前方100m每隔5m布置一個(gè)表面位移觀測站，共布置5個(gè)觀測站。每個(gè)測站采用“十”字法測量巷道表面位移。深部位移觀測站，每隔10m布置一個(gè)，共3個(gè)觀測站，對(duì)巷道深部巖層位移觀測采用KDW-1機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)，分別安裝在巷道頂板和左幫，測量最大深度8m。隨著工作面的推進(jìn)，對(duì)每個(gè)測站實(shí)時(shí)進(jìn)行測量。

圖3 各煤柱下垂直應(yīng)力圖

圖4 各煤柱下塑性區(qū)分布圖

圖5 各煤柱下垂直應(yīng)力圖

圖9、圖10顯示，本次數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測的巷道位移結(jié)果一致。本次數(shù)值模擬確定的合理煤柱尺寸是40m，潘三礦1642(1)臨近F24大型逆斷層工作面開采留設(shè)了最小40m煤柱，現(xiàn)在工作面已收作，沒有發(fā)生突水事故，完成安全高效生產(chǎn)的任務(wù)。說明了本次數(shù)值模擬的可靠性。

圖6 各煤柱下塑性區(qū)分布圖

圖7 巷道表面位移觀測布置

圖8 巷道深部位移觀測布置

圖9 巷道表面位移

圖10 巷道頂板深部位移

6 結(jié) 論

1)對(duì)于布置在斷層下盤的工作面，隨著煤柱尺寸的減小，斷層上盤應(yīng)力集中愈發(fā)明顯，靠近斷層一側(cè)煤柱的應(yīng)力集中逐漸向斷層上盤轉(zhuǎn)移。

2)隨著煤柱尺寸減小，斷層附近新產(chǎn)生塑性區(qū)并逐步擴(kuò)展，最終和采場塑性區(qū)導(dǎo)通。逐步減小斷層煤柱尺寸，會(huì)導(dǎo)致斷層的導(dǎo)水區(qū)域增大，當(dāng)留設(shè)的煤柱尺寸小于一定值后，斷層水通過采空區(qū)頂板進(jìn)入工作面，發(fā)生突水事故。

3)對(duì)于沿?cái)鄬幼呦蛲七M(jìn)工作面的斷層煤柱留設(shè)，提出一種斷層煤柱留設(shè)方法，并最終確定留設(shè)煤柱的合理尺寸。

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Study on rational pillar of multi seam mining

DONG Chun-liang，ZHAO Guang-ming，ZHAO Hua-an

(The Key Lab of Safe and High-Efficiency Mining of Ministry of Education，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

According to the effect of F24large reverse fault on multi seams mining in Pansan mine，the evolution of stress and plastic zone at the different size of preserving fault pillar in 11 coal seam and 13 coal seam were studied by using FLAC3D，and then the rational size of safe coal pillar was put forward.With the decrease of 11 coal pillar，it was found that stress concentration transfer to the hanging wall of the fault，and the stress concentration zone at left goaf increases gradually because of the influence of 11 coal seam mining to 13 coal seam mining.At the same time，the plastic zone near fault gradually increases and is connected with the stope at last.To prevent water inrush，the pillar of 40 meter and 60 meter are determined respectively.It is proved that the sizes of pillar are rational on field engineering.

fault pillar；stress field；plastic zone；numerical simulation

2014-12-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)： 51404011)；安徽省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研活動(dòng)項(xiàng)目資助(編號(hào)：DG073)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：20133415110006； 20123415130001)

董春亮(1975-)，女，河北秦皇島人，講師，博士研究生，主要從事礦山巖石力學(xué)等方面的研究。E-mail:dongchunliang@163.com。

TD324

A

1004-4051(2015)12-0094-05